Análise energética e exergética de usina sucroalcooleira

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM CIÊNCIAS TÉRMICAS
ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA DE UMA USINA
SUCROALCOOLEIRA DO OESTE PAULISTA COM SISTEMA
DE COGERAÇÃO DE ENERGIA EM EXPANSÃO
Marcelo Caldato Fiomari
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de
Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho”, como parte dos requisitos exigidos para a
obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos
Ilha Solteira – SP, 22 de dezembro de 2004.

FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação/Serviço Técnico
de Biblioteca e Documentação da UNESP-Ilha Solteira.
F517a
Fiomari, Marcelo Caldato
Análise energética e exergética de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista com sistema
de cogeração de energia em expansão / Marcelo Caldato Fiomari. -- Ilha Solteira: [s.n.], 2004
xviii, 130 p. : il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha
Solteira, 2004.
Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos
Bibliografia: p. 110-114
1. Energia de biomassa. 2. Exergia. 3. Cogeração de energia elétrica e calor. 4. Bagaço de
cana. 5. Açúcar - Usinas. 6. Álcool - Indústria.

ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA DE UMA USINA
SUCROALCOOLEIRA DO OESTE PAULISTA COM SISTEMA
DE COGERAÇÃO DE ENERGIA EM EXPANSÃO
Marcelo Caldato Fiomari
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
NA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM CIÊNCIAS TÉRMICAS E FOI APROVADA EM SUA
FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA.
Prof. Dr. Gilberto Pechoto de Melo
Coordenador do PPGEM – FEIS/UNESP
COMISSÃO EXAMINADORA:
Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos
Departamento de Engenharia Mecânica – FEIS/UNESP
Orientador
Prof. Dr. Luiz Fernando Milanez
Departamento de Energia – FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Cassio Roberto Macedo Maia
Departamento de Engenharia Mecânica – FEIS/UNESP
Ilha Solteira – SP, 22 de dezembro de 2004.

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA
CERTIFICADO DE APROVAÇÃO
unesp
TÍTULO: ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA DO
OESTE PAULISTA COM SISTEMA DE COGERAÇÃO DE ENERGIA EM EXPANSÃO
AUTOR: MARCELO CALDATO FIOMARI
ORIENTADOR: Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS
Aprovado como parte das exigências para obtenção do Título de MESTRE em ENGENHARIA
MECÂNICA pela Comissão Examinadora:
Data da realização: 22 de dezembro de 2004
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Presidente da Comissão Examinadora
Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS

i
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais Natalin Fiomari e Genir Aparecida Caldato
Fiomari.

ii
Agradecimentos
Além de outras várias pessoas que não cito aqui e que também contribuíram de forma
positiva para a conclusão deste trabalho, devo meus agradecimentos as seguintes pessoas:
À minha família que sempre me incentivou nos meus desafios, inclusive esse de
redigir essa dissertação.
Ao ex-gerente industrial da Destilaria Pioneiros Engenheiro Mecânico Marcos Torres
que, juntamente com a diretoria da Destilaria Pioneiros, sempre me apoiaram e permitiram
que pudesse dividir meu tempo no trabalho com os afazeres da pós graduação. Além disso,
agradeço à Destilaria Pioneiros que foi o meu laboratório de pesquisas e lugar no qual obtive
todas informações para fazer este trabalho.
Ao meu orientador Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos pelo apoio dado direta e
indiretamente para que concluísse esse trabalho com êxito.
Aos Profs. Drs. Cássio Roberto Macedo Maia e José Luiz Gasche pela ajuda no
desenvolvimento de um trabalho apresentado em um congresso que, posteriormente, foi
utilizado como referência para essa dissertação.
Aos meus colegas de estudo, e também estudantes de pós-graduação, Alessandro
Tomio Takaki, Fabiano Pagliosa Branco e Thales Brandão Uchoa.
Ao meu companheiro de trabalho na Destilaria Pioneiros e de estudo, que também está
fazendo pós-graduação, Engenheiro Eletricista Luiz Gustavo Scartezini Rodrigues, pelas
produtivas discussões sobre assuntos comuns às nossas dissertações.
Aos funcionários da Destilaria Pioneiros que me ajudaram obter informações que
foram imprescindíveis para esse trabalho.

iii
Sumário
Lista de Tabelas v
Lista de Figuras vii
Lista de Símbolos x
Resumo xv
Abstract xvi
Preâmbulo xvii
Capítulo 1 – Introdução 01
1.1. Histórico do Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro 01
1.1.1. A Origem da Cana de Açúcar 01
1.1.2. A Disseminação da Cana de Açúcar no Continente Americano 02
1.1.3. Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro no Brasil 05
1.1.4. Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro no Oeste Paulista 08
1.1.5. Histórico e Perspectivas da Destilaria Pioneiros 11
1.2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro 15
1.2.1. Aspectos Gerais e Histórico da Cogeração 15
1.2.2. Caracterização dos Sistemas de Cogeração no Setor Sucroalcooleiro 18
1.2.3. Desenvolvimento da Cogeração no Setor Sucroalcooleiro 22
1.2.4. Potencial de Cogeração do Setor Sucroalcooleiro 25
1.3. Regulamentação e Incentivos para Cogeração no Setor Sucroalcooleiro 28
1.3.1. Crise Energética e Programa de Racionamento de Energia 28
1.3.2. Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Geração de Energia 29
1.3.3. Protocolo de Kyoto 32
1.3.4. Mecanismo de Desenvolvimento Limpo 34
1.3.5. Crédito de Carbono no Setor Sucroalcooleiro 36
Capítulo 2 – Revisão da Literatura e Proposta do Trabalho 39
2.1. Retrospecto de Estudos sobre Cogeração de Energia em Usinas de Açúcar e
Álcool 39
2.2. Objetivos deste Trabalho 44
Capítulo 3 – Definições e Conceitos Envolvidos 45
3.1. Conceitos Termodinâmicos 45
3.1.1. Balanços de Massa, Energia e Exergia 46
3.1.2. Eficiências Térmicas pela Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica 50

iv
3.1.3. Índices de Desempenho Baseados na Primeira Lei da Termodinâmica 53
3.2. Definições de Parâmetros Importantes em Usinas Sucroalcooleiras 55
3.3. Avaliação Termodinâmica de uma Turbina de Extração-Condensação 61
Capítulo 4 – Descrição dos Casos a serem Estudados 67
4.1. Caso 1 – Planta Operante até a Safra 2003/2004 67
4.2. Caso 2 – Planta Operante na Safra 2004/2005 72
4.3. Caso 3 – Planta Prevista para Operar na Safra 2005/2006 76
Capítulo 5 – Resultados e Discussões 86
5.1. Resultados da Análise da Turbina de Extração-Condensação 86
5.2. Resultados das Análises dos Casos Estudados 91
5.3. Índices de Desempenho das Plantas 97
5.4. Relação entre alguns Parâmetros das Plantas 100
5.4.1. Comportamento da Eficiência Global da Planta com a Variação da Taxa
de Condensação 100
5.4.2. Comportamento da Eficiência Global da Planta e da Geração Total de
Potência com a Variação da Taxa de Condensação 101
5.4.3. Comportamento da Eficiência Global da Planta com a Variação da
Eficiência da Caldeira 102
5.4.4. Comportamento da Eficiência Global e da Potência Gerada na Planta
com o Consumo de Vapor de Processo 103
Capítulo 6 – Conclusões e Sugestões 105
Referências Bibliográficas 109
Apêndice A – Dados de Produção do Setor Sucroalcooleiro no Brasil. 114
Apêndice B – Dados de Produção do Setor Sucroalcooleiro no Estado de São
Paulo e no Oeste Paulista 118
Apêndice C – Dados de Produção da Destilaria Pioneiros 123
Apêndice D – Glossário de Termos Técnicos 128

v
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 – Situação de geração de energia elétrica a base de bagaço de cana. 25
Tabela 1.2 – Maiores emissores de 2CO do mundo. 33
Tabela 1.3 – Contribuição das fontes emissoras de 2CO no Brasil. 33
Tabela 1.4 – Gases causadores do efeito estufa na produção de cana, açúcar e álcool. 37
Tabela 3.1 – Frações em massa dos elementos químicos no bagaço. 52
Tabela 3.2 – Dados operacionais da turbina VE 32. 62
Tabela 4.1 – Características do bagaço de cana. 67
Tabela 4.2 – Dados de moagem, produção e consumo de bagaço da Destilaria Pioneiros
na safra 2003/2004. 70
Tabela 4.3 – Parâmetros de operação da Destilaria Pioneiros na safra de 2003/2004. 71
na safra 2004/2005. 74
na safra 2004/2005. 75
na safra 2005/2006. 78
Tabela 4.7 – Parâmetros de operação da planta da Destilaria Pioneiros na safra de
2005/2006. 79
na safra 2006/2007. 80
2006/2007. 82
Tabela 4.10 – Dados de moagem, produção e consumo de bagaço da Destilaria
Pioneiros na safra 2007/2008. 83
2007/2008. 85
Tabela 5.1 – Potência e consumo específico para cada volume de controle da Fig. 3.6. 87
Tabela 5.2 – Consumo específico de vapor para cada saída da turbina VE 32. 88
Tabela 5.3 – Variação da potência e eficiência da turbina, em função da taxa de
condensação (8 a 20 ht ). 89
Tabela 5.4 – Variação da potência e eficiência da turbina, em função da taxa de

vi
condensação (20 a 40 ht ). 90
Tabela 5.5 – Eficiência termodinâmica das turbinas calculada pela primeira lei. 91
Tabela 5.6 – Eficiência termodinâmica das turbinas calculada pela segunda lei e
consumo específico de vapor para o Caso 1. 92
consumo específico de vapor para o Caso 2. 92
consumo específico de vapor para os Casos 3, 4 e 5. 93
Tabela 5.9 – Eficiência termodinâmica da turbina VE 32 pela primeira e segunda lei e
consumo específico de vapor para os Casos 3, 4 e 5. 93
Tabela 5.10 – Potência gerada em cada equipamento dada em kW para cada caso
estudado. 94
Tabela 5.11 – Potência térmica de processo dada em kW para cada caso estudado. 94
Tabela 5.12 – Potência demandada pelas bombas dada em kW para cada caso
estudado. 95
Tabela 5.13 – Eficiências das caldeiras pela primeira e segunda lei da termodinâmica
para cada caso estudado. 95
Tabela 5.14 – Eficiência global das plantas para cada caso estudado. 96
Tabela 5.15 – Taxas de irreversibilidades geradas pelas turbinas. 96
Tabela 5.16 – Taxas de irreversibilidades geradas pelas bombas hidráulicas da planta. 97
Tabela 5.17 – Índices de desempenho baseados na primeira lei da termodinâmica. 97
Tabela 5.18 – Índices de desempenho de uma planta em uma usina de açúcar e álcool. 99
Tabela A.1 – Produção de cana de açúcar no Brasil (em toneladas). 114
Tabela A.2 – Produção de açúcar no Brasil (em toneladas). 115
Tabela A.3 – Produção de álcool (anidro e hidratado) no Brasil (em 3
m ). 116
Tabela B.1 – Produção de cana de açúcar no Oeste Paulista (em milhares de toneladas). 118
Tabela B.2 – Produção de açúcar no Oeste Paulista (em toneladas). 119
Tabela B.3 – Produção de álcool (anidro e hidratado) no Oeste Paulista (em 3
m ). 120
Tabela C.1 – Dados para cálculo dos parâmetros de produção da Destilaria Pioneiros. 123
Tabela C.2 – Dados quantitativos da produção da Destilaria Pioneiros. 124
Tabela C.3 – Variáveis de entrada para a simulação do balanço de ART da Destilaria
Pioneiros. 125
Tabela C.4 – Resultados do balanço de ART da Destilaria Pioneiros. 127

vii
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Cana moída pela Destilaria Pioneiros nas últimas safras. 12
Figura 1.2 – Quantidade de açúcar produzido em função da quantidade de cana moída
na Destilaria Pioneiros nas últimas safras. 12
Figura 1.3 – Quantidade de álcool produzido em função da quantidade de cana moída
Figura 1.4 – Quantidade de bagaço produzido em função da quantidade de cana moída
Figura 1.5 – Central de cogeração a vapor operando em paridade térmica e curvas de
demanda. 16
Figura 1.6 – Diagrama de um sistema de cogeração com turbinas a vapor de
contrapressão. 19
Figura 1.7 – Diagrama de um sistema de cogeração com turbina a vapor de extração-
condensação. 20
Figura 1.8 – Diagrama de um sistema de cogeração com ciclo combinado de gás e
vapor. 21
Figura 1.9 – Ciclos topping (a) e bottoming (b). 24
Figura 1.10 – Mudança da temperatura global nas últimas décadas. 34
Figura 3.1 – Poder calorífico inferior do bagaço com 3 % de teor de açúcar, para
diferentes valores de umidade. 56
Figura 3.2 – Relação entre Iη e bagvaporR de uma caldeira. 57
Figura 3.3 – Relação entre IIη e bagvaporR de uma caldeira. 58
Figura 3.4 – Relação entre Iη e vappoteleR para diferentes parâmetros do vapor direto. 60
Figura 3.5 – Desenho esquemático de uma turbina de extração-condensação com duas
extrações de vapor. 62
Figura 3.6 – Desenho esquemático de uma turbina de extração-condensação
considerando três volumes de controle para cada extração. 64
Figura 3.7 – Desenho esquemático de uma turbina de extração-condensação
considerando três volumes de controle independentes para cada saída. 65
Figura 4.1 – Fluxograma da Destilaria Pioneiros na safra 2003/2004 (Caso 1). 68

viii
Figura 5.1 – Comportamento da geração de potência e da eficiência pela primeira lei,
variando-se a taxa de condensação entre 8 e 20 ht . 89
Figura 5.2 – Comportamento da geração de potência e da eficiência pela primeira lei,
variando-se a taxa de condensação entre 20 e 40 ht . 90
Figura 5.3 – Eficiência global e fator de utilização de energia para os casos analisados. 98
Figura 5.4 – Comportamento da eficiência global da planta com a variação da taxa de
condensação. 100
Figura 5.5 – Comportamento da eficiência global da planta e da geração total de
potência com a variação da taxa de condensação. 101
Figura 5.6 – Comportamento da eficiência global da planta com a variação da
eficiência da caldeira. 102
Figura 5.7 – Comportamento da eficiência global da planta com a variação do vapor de
processo. 103
Figura 5.8 – Comportamento da potência total da planta com a variação do vapor de
processo. 103
Figura 5.9 – Comportamento da potência total da planta e da eficiência global com a
variação do vapor de processo. 104
Figura A.1 – Percentual de cana moída pelo estado de São Paulo em relação ao Brasil
nas últimas safras. 114
Figura A.2 – Percentual de açúcar produzido pelo estado de São Paulo em relação ao
Brasil nas últimas safras. 117
Figura A.3 – Percentual de álcool produzido pelo estado de São Paulo em relação ao
Brasil nas últimas safras. 117
Figura B.1 – Percentual de cana moída pela UDOP em relação ao estado de São Paulo
Figura B.2 – Percentual de cana moída pela Destilaria Pioneiros em relação a UDOP
Figura B.3 – Percentual de açúcar produzido pela UDOP em relação ao estado de São
Paulo nas últimas safras. 121

ix
Figura B.4 – Percentual de açúcar produzido pela Destilaria Pioneiros em relação a
UDOP nas últimas safras. 122
Figura B.5 – Percentual de álcool produzido pela UDOP em relação ao estado de São
Paulo nas últimas safras. 122
Figura B.6 – Percentual de álcool produzido pela Destilaria Pioneiros em relação a
UDOP nas últimas safras. 122
Figura C.1 – Fluxograma do balanço de ART da Destilaria Pioneiros. 125

x
Lista de Símbolos
Símbolos Latinos
águaex : Exergia específica da água ( )kgkJ
bagex : Exergia específica do bagaço da cana ( )kgkJ
eex : Exergia específica na entrada do volume de controle ( )kgkJ
vaporex : Exergia específica de vapor superaquecido ( )kgkJ
sex : Exergia específica na saída do volume de controle ( )kgkJ
g : Aceleração gravitacional ( )2
sm
0h : Entalpia da água para o estado de referência ( )kgkJ
águah : Entalpia específica da água ( )kgkJ
eh : Entalpia específica na entrada do volume de controle ( )kgkJ
sh : Entalpia específica na saída do volume de controle ( )kgkJ
vaporh : Entalpia específica de vapor superaquecido ( )kgkJ
v.c.I& : Taxa de irreversibilidade no volume de controle ( )kW
águaL : Entalpia de vaporização da água ( )kgkJ
m& : Vazão mássica (líquido ou vapor) no volume de controle ( )skg
águam& : Vazão mássica de água ( )skg
bagm& : Vazão mássica de bagaço consumido na caldeira ( )skg
COm& : Vazão mássica de vapor no condensador da turbina de extração-condensação ( )skg
em& : Vazão mássica que entra no volume de controle ( )skg
E1m& : Vazão mássica de vapor na extração 1 da turbina de extração-condensação ( )skg
E2m& : Vazão mássica de vapor na extração 2 da turbina de extração-condensação ( )skg
sm& : Vazão mássica que sai do volume de controle ( )skg
vaporm& : Vazão mássica de vapor superaquecido ( )skg
VDm& : Vazão mássica de vapor na entrada da turbina de extração-condensação ( )skg
p : Pressão ( )kPa

xi
condQ& : Potência térmica perdida no condensador ( )kW
destQ& : Potência térmica útil no processo de destilação ( )kW
evapQ& : Potência térmica útil no processo de evaporação da água do caldo ( )kW
útilQ& : Potência térmica útil da planta ( )kW
v.c.Q& : Potência térmica no volume de controle ( )kW
potelecanaR : Relação da energia elétrica gerada por tonelada de cana moída ( )thkW ⋅
vapcanaR : Relação vapor-cana moída ( )tkg
vappoteleR : Relação vapor consumido-potência gerada ( )hkWkg ⋅
0s : Entropia da água para o estado de referência ( )KkgkJ ⋅
es : Entropia específica na entrada do volume de controle ( )KkgkJ ⋅
ss : Entropia específica na entrada do volume de controle ( )KkgkJ ⋅
v.c.ger,S : geração de entropia no volume de controle ( )KkgkJ ⋅
0T : Temperatura do fluido no estado de referência ( )K
jT : Temperatura superficial do volume de controle ( )K
u : Energia interna específica ( )kgkJ
v : Volume específico ( )kgm3
eV : Velocidade da vazão mássica na entrada do volume de controle ( )sm
sV : Velocidade da vazão mássica na saída do volume de controle ( )sm
bombW& : Potências referentes ao bombeamento ( )kW
eleW& : Potência referente aos acionamentos dos geradores elétricos ( )kW
mecW& : Potência referente aos acionamentos mecânicos ( )kW
totalW&
: Potência total (elétrica e mecânica) ( )kW
v.c.W& : Fluxo de trabalho no volume de controle ( )kW
águaZ : Fração em massa de água no bagaço úmido ( )%
eZ : Cota da vazão mássica na entrada do volume de controle ( )m
iZ : Fração em massa dos diferentes elementos químicos ( )%
sZ : Cota da vazão mássica na entrada do volume de controle ( )m

xii
Símbolos Gregos
β : Função das frações de massa dos componentes químicos do bagaço ( )%
isoΔh : Diferença entre as entalpias de entrada e saída do volume de controle, para processo
isoentrópico ( )kgkJ
caldη : Eficiência térmica das caldeiras da unidade ( )%
cald_refη : Eficiência térmica de caldeiras que produzem apenas vapor saturado ( )%
globalη : Eficiência global do sistema ( )%
term_refη : Eficiência térmica de uma planta de potência de referência ( )%
Iη : Eficiência baseada na primeira lei da termodinâmica ( )%
IIη : Eficiência baseada na segunda lei da termodinâmica ( )%
Abreviações
ACPRD: Açúcar Produzido
ACPRDCN: Açúcar Produzido por Tonelada de Cana
ALPRD: Álcool Produzido
ALPRDCN: Álcool Produzido por Tonelada de Cana
ANA: Agência Nacional de Águas
ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica
ART: Açúcares Redutores Totais
ARTAC: ART para Açúcar
ARTAL: ART para Álcool
ARTMO: ART Moído
BGPRD: Bagaço Produzido
BGPRDCN: Bagaço Produzido por Tonelada de Cana
BNDES: Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social
CAPR: Caldo Primário
CAPRAF: Caldo Primário Após o Filtro
CAPRAM: Caldo Primário Após o Multijato
CASE: Caldo Secundário

xiii
CASEAF: Caldo Secundário Após o Filtro
CATI: Coordenadoria de Assistência Técnica Integral
CCVE: Contratos de Compra e Venda de Energia
CER: Certified Emissions Reduction
CESP: Companhia Energética de São Paulo
CGCE: Câmara de Gestão da Crise Energética
CNMO: Quantidade de Cana Moída
CNMOH: Cana Moída por Hora
COPERSUCAR: Cooperativa Privada dos Produtores de Cana de Açúcar e Álcool do
Estado de São Paulo
CPFL: Companhia Paulista de Força e Luz
CQNUMC: Conferência das Partes da Convenção Quadro das Nações Unidas sobre
Mudança do Clima
EES: Engineering Equation Solver
EFEI: Escola Federal de Engenharia de Itajubá
ELETROBRAS: Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
ESFA: Fator de Esgotamento da Fábrica de Açúcar
ETA: Estação de Tratamento de Água
EX1M: Extração da 1ª Moenda
FGV: Fundação Getúlio Vargas
FUE: Fator de Utilização de Energia
GTA: Grupo de Trabalho do Álcool
IAA: Instituto do Açúcar e Álcool
IETA: International Emissions Trading Association
IGP: Índice de Geração de Potência
IGPM: Índice Geral de Preços de Mercado
INPMAL: Grau INPM do Álcool
IPE: Índice de Poupança de Energia
LI: Licença Prévia de Instalação
MAE: Mercado Atacadista de Energia
MCT: Ministério de Ciência e Tecnologia
MDL: Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MME: Ministério de Minas e Energia
ONS: Operador Nacional do Sistema Elétrico

xiv
PCF: Prototype Carbon Fund
PCI: Poder Calorífico Inferior
PCIbag: Poder Calorífico Inferior do Bagaço
PCH’s: Pequenas Centrais Hidrelétricas
PCS: Poder Calorífico Superior
PEAL: Perda na Água de Lavagem
PEALT: Perda na Água de Lavagem em Toneladas
PEBG: Perda no Bagaço
PEBGT: Perda no Bagaço em Toneladas
PEMJ: Perda no Multijato
PEMJT: Perda no Multijato em Toneladas
PETF: Perda na torta de Filtro
PETFT: Perda na torta de Filtro em Toneladas
PLANALSUCAR: Programa Nacional de Melhoramento da Cana de Açúcar
POL: Polarização
POLA: Pol do Açúcar
PPT: Programa Prioritário de Termoeletricidade
PROÁLCOOL: Programa Nacional do Álcool
PROINFA: Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Geração de Energia
RCE: Reduções Certificadas de Emissões
REFE: Rendimento da Fermentação
RP: Regime Permanente
RPC: Relação entre a Potência Total Produzida e a Energia Térmica Utilizada no
Processo
SIN: Sistema Interligado Nacional
TJLP: Taxa de Juros de Longo Prazo
UDOP: União das Destilarias do Oeste Paulista
UNICA: União da Agroindústria Canavieira de São Paulo
VC: Volume de controle

xv
Resumo
No presente trabalho, foram realizadas análises energética e exergética de cinco
plantas de vapor de uma usina sucroalcooleira. As plantas consideradas foram baseadas na
expansão do sistema de cogeração da Destilaria Pioneiros, iniciada em 2003 e com término
previsto para 2007. A configuração inicialmente considerada é constituída por caldeiras de
baixa pressão, com turbinas de simples estágio para geração de eletricidade e com picador,
desfibrador e moendas com acionamento mecânico. A configuração final considerada é
constituída por caldeira de alta pressão, com turbina de extração-condensação e com a
substituição do acionamento mecânico por elétrico nos outros equipamentos. Através da
primeira e segunda leis da termodinâmica, foi possível avaliar a eficiência e a geração de calor
e potência para cada componente, caldeiras, turbinas, condensadores e bombas que
compunham as plantas avaliadas, bem como o aproveitamento global de energia de cada uma
delas. Através de índices baseados na primeira lei da termodinâmica, foi possível comparar
todas as plantas consideradas. Além disso, foram calculados também alguns indicadores que
são bastante comuns em usinas de açúcar e álcool, como o consumo específico de vapor de
turbinas a vapor ou consumo específico de vapor de processo. Uma avaliação termodinâmica
mais detalhada foi apresentada para uma turbina de extração-condensação com capacidade de
acionar um gerador de 40 MVA. O uso dessa turbina nos sistemas de cogeração de energia
mostrou que sua alta eficiência contribuiu para uma maior geração de potência, porém a
condensação reduziu a eficiência global da planta. Algumas análises de sensibilidade foram
feitas para avaliar o comportamento do aproveitamento global de energia de um ciclo com
turbina de extração-condensação levando em consideração a variação de parâmetros como
eficiência da caldeira, consumo de vapor de processo e taxa de condensação na turbina de
extração-condensação. Observou-se que a eficiência da planta foi bastante sensível à variação
da taxa de condensação e aumentou quando se aumentou a demanda do vapor de processo.
Palavras Chave: Energia, Exergia, Cogeração, Bagaço, Indústria Sucroalcooleira.

xvi
Abstract
In this work, energetic and exergetic analyses of five steam plants of a sugar cane
industry were carried out. The plants considered were based on the expansion of the
cogeneration system of the Destilaria Pioneiros that was started in 2003 and will be finished
in 2007. The initial configuration considered is constituted by a low pressure steam generator,
single stage steam turbines for electricity generation and crusher, shredding and millings with
mechanical driving. The final configuration considered is constituted by a high pressure steam
generator, a multiple stage extraction-condensation steam turbine for electricity generation
and with substitution of the mechanical driving by electrical driving in the other equipments.
Considering the first and second thermodynamic laws, it was possible to evaluate the
efficiency and the heat and power generation for each component, steam generator, turbines,
condensers and pumps of all plants, as well as their overall energy efficiency. Using indexes
based on the first law of thermodynamic, it was possible to compare the plants. Besides, some
very common parameters in sugar cane industries, as specific steam consume in the turbines
or specific steam consume in the processes, were calculated. A detailed thermodynamic
analysis for an extraction-condensation turbine capable to drive a 40 MVA electricity
generator was performed. The use of this turbine in the cogeneration systems showed that its
efficiency contributed to increase the power generation, although the condensation has
reduced the overall efficiency of the plant. Sensibility analyses were conducted to evaluate the
behavior of the overall energy efficiency of a plant with the extraction-condensation turbine,
taking into account parameters like the steam generator efficiency, steam consumed in the
processes and condensation rate of the turbine. It was observed that the plant efficiency was
very sensible to the condensation rate variation and increased as the demand of steam
processes increased.
Keywords: Energy, Exergy, Cogeneration, Bagasse, Sugar Cane Industry.

xvii
Preâmbulo
Este trabalho está relacionado à planta sucroalcooleira da Destilaria Pioneiros,
localizada no município de Sud Mennucci, Estado de São Paulo. Esta empresa, apesar de ser
destilaria na razão social, produz açúcar também, além do álcool, logo pode ser considerada
como uma usina sucroalcooleira. Além desses produtos, a Destilaria Pioneiros passou, a partir
de 2002, a investir na cogeração de energia e, conseqüentemente, sofreu algumas
modificações na sua planta para atender esse objetivo. Algumas dessas plantas de vapor são
objetos de estudo nesse trabalho.
No Capítulo 1, que é introdutório, é feito um levantamento histórico do setor
sucroalcooleiro, desde a origem da cana de açúcar na Oceania até sua disseminação no
continente americano, no Brasil e no oeste paulista, região na qual se encontra a Destilaria
Pioneiros, que também tem seu histórico de produção de cana de açúcar apresentado. Além
disso, são abordados aspectos gerais sobre cogeração de energia, levando-se em conta a sua
evolução dentro do setor sucroalcooleiro, bem com seu potencial de geração de energia.
Complementarmente, são apresentados alguns incentivos para a cogeração de energia elétrica
tendo como o combustível o bagaço de cana.
No Capítulo 2, é apresentado um retrospecto de trabalhos realizados sobre cogeração
de energia elétrica dentro do setor sucroalcooleiro, além de ser enfatizado qual a proposta do
presente trabalho.
No Capítulo 3, os conceitos termodinâmicos envolvidos no trabalho são apresentados
de forma resumida. Os índices de desempenho baseados na primeira da termodinâmica
também são mostrados nesse capítulo, além de outros índices que são extremamente úteis na
análise termodinâmica de uma usina de açúcar e álcool. Além disso, é apresentada a
metodologia de avaliação termodinâmica da turbina de extração-condensação sob o ponto de
vista da primeira lei.
No Capítulo 4, todos os casos estudados são descritos através de fluxogramas das
plantas e de tabelas mostrando os fluxos de massa e suas propriedades termodinâmicas para
cada ponto da planta. Nesta descrição, também são fornecidas informações técnicas de
operação de plantas de vapor em usinas sucroalcooleiras.
No Capítulo 5, são fornecidos os resultados da avaliação termodinâmica da turbina de
extração-condensação, além dos resultados da análise de todos os casos descritos no
Capítulo 4. São apresentados também os índices de desempenho das plantas, bem como a

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análise de sensibilidade da eficiência global com a variação de outros parâmetros. Nesse
capítulo, ainda, são feitas algumas considerações sobre os resultados obtidos.
Para finalizar, no Capítulo 6 são apresentadas as conclusões dessa dissertação, bem
como sugestões para estudos futuros.

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Capítulo 1 – Introdução
1.1. Histórico do Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro
1.1.1. A Origem da Cana de Açúcar
O primeiro contato com uma planta que seria associada intimamente com a essência da
doçura, a cana de açúcar, foi na Nova Guiné, Oceania. Depois a cultura dessa planta foi
levada para a região do Golfo de Bengala, na Índia.
Posteriormente, a cana de açúcar começou a ser cultivada pelos árabes, sendo depois
introduzida no Egito, em Chipre, na Sicília e na Espanha no século X. Credita-se aos egípcios,
que tinham bons conhecimentos em química, o desenvolvimento do processo de clarificação
do caldo da cana pelo uso de cinzas e compostos de origem vegetal e animal, além do
desenvolvimento dos métodos de cozimento que resultavam em um açúcar de alta qualidade
para a época, que era consumido exclusivamente por reis e nobres na Europa.
No início do século XIV, graças à escassez e importância como fonte de energia para o
organismo, o comércio do açúcar era prerrogativa dos médicos que forneciam essa substância
em grãos para a recuperação ou alívio dos moribundos. Nessa época, há registros de
comercialização ou troca de açúcar por quantias que hoje seriam equivalentes a
aproximadamente R$ 200,00 por quilograma, o que mostra como a açúcar era valorizado
comparado com o preço dos dias atuais que giram em torno de R$ 0,60 por quilograma
(Machado, 2003).
Nesse mesmo período, Portugal ainda era um pequeno reino da Península Ibérica e se
aventurou aos descobrimentos sendo motivado pelo lucro do comércio das especiarias. Nessa
época era praticamente impossível transportar mercadorias por vias terrestres, pois não havia
estradas nem veículos adequados. Além disso, os senhores feudais cobravam pesados tributos
pela passagem por suas terras ou incentivavam abertamente o saque de mercadorias. Desta
maneira todo o comércio se efetuava por via marítima em uma rota que se originava no
Mediterrâneo passando por Portugal (Estreito de Gibraltar). Além disso, os reis portugueses
mantinham bom relacionamento com os comerciantes e financistas que, em outras partes, não
eram bem vistos por sua obsessão pelos lucros. Essa preocupação comercial também
estimulou a introdução da cana de açúcar na Ilha da Madeira, que se tornou laboratório do

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modelo de cultura de cana e de produção de açúcar que mais tarde se expandiria com a
descoberta do Novo Mundo, as Américas (Machado, 2003).
1.1.2. A Disseminação da Cana de Açúcar no Continente Americano
Em 1492, o navegador genovês Cristóvão Colombo, a serviço da rainha Isabel da
Espanha, procurava uma nova rota para as Índias e acabou descobrindo a América.
Em sua segunda viagem à América (1493) ele introduziu a cana de açúcar na região
onde hoje é a República Dominicana. Mas, com a descoberta do ouro e prata pelos espanhóis
no início do século XVI, o cultivo e a produção de açúcar foram praticamente esquecidos
(Machado, 2003).
Aproveitando a grande descoberta dos espanhóis na América, os portugueses
chegaram ao Brasil com Cabral em 1500. No entanto, encontraram somente uma exuberante
terra e, assim, acabaram voltando suas atenções à Índia e à rentável comercialização de seus
artigos e especiarias. Somente cerca de trinta anos depois, ao verem as novas terras
ameaçadas pelas invasões cada vez mais freqüentes de ingleses e franceses, é que os
portugueses finalmente decidiram tomar posse efetivamente do Brasil.
Como essa ocupação era muito onerosa, para uma nação tão pequena e com recursos
escassos para tal empreitada, os portugueses implantaram o modelo de ocupação que eles já
haviam experimentado com êxito na Ilha da Madeira, ou seja, a produção de açúcar que,
devido ao seu alto valor, geraria recursos para a manutenção da posse da Colônia. Esse
modelo estava baseado em largas extensões de terra, mão de obra escrava e uso extensivo dos
recursos naturais existentes.
Em 1532, Martim Affonso de Souza trouxe a primeira muda de cana ao Brasil e
iniciou seu cultivo na Capitania de São Vicente, onde foi construído o primeiro engenho de
açúcar. Mas foi efetivamente no Nordeste do Brasil, principalmente nas Capitanias de
Pernambuco e da Bahia, que os engenhos de açúcar se multiplicaram.
Após um início repleto de dificuldades e tentativas frustradas a produção de açúcar
prosperou e, passados menos de cinqüenta anos, o Brasil já detinha o monopólio mundial da
produção. Isso assegurava a Portugal e aos holandeses, responsáveis pela comercialização,
uma elevada lucratividade na venda crescente de açúcar para a Europa, que se enriquecia pelo
ouro e prata oriundos do Novo Mundo. Com isso, as regiões produtoras no nordeste brasileiro
se beneficiaram e cidades como Salvador e Olinda rapidamente prosperaram. (Machado,
2003).

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No entanto, em 1578, a inesperada morte de D. Sebastião, Rei de Portugal, na mal
sucedida Batalha de Alcazar, possibilitou a Felipe II, Rei da Espanha, anexar Portugal.
Embora não se preocupasse com as atividades açucareiras no Brasil, Felipe II era católico e se
opunha ferozmente aos protestantes holandeses e ingleses. As dificuldades de abastecimento
aos comerciantes holandeses não tardaram e estes, decididos a não perderem os lucros da
comercialização do açúcar, acabaram por invadir o Brasil em 1630, permanecendo em
Pernambuco até 1654, quando foram expulsos. Nesse intervalo, os portugueses assinaram
vários acordos secretos com os ingleses para assegurarem a proteção da marinha britânica
enquanto travavam uma luta para se libertarem dos espanhóis.
Esses fatos fizeram com que os holandeses dessem início à produção açucareira nas
Ilhas do Caribe e nas Antilhas, seguidos pelos próprios ingleses e franceses, acabando com o
monopólio do açúcar do Brasil. A descoberta do ouro no final do século XVII nas Minas
Gerais retirou do açúcar o primeiro lugar na geração de riquezas, cuja produção se retraiu até
o final do século XIX. Mesmo assim, considera-se que no período do Brasil Império (1500-
1822) a renda obtida pelo comércio do açúcar tenha atingido quase duas vezes a do ouro e
quase cinco vezes a de todos outros produtos agrícolas juntos, tais como café, algodão,
madeiras, etc (Machado, 2003).
Do mesmo modo, enquanto os holandeses perderam pontos estratégicos no comércio
de açúcar, o Haiti, colônia francesa no Caribe, tornou-se o maior produtor mundial no início
do século XVIII.
Esse comércio crescente foi ignorado pelos ingleses, possibilitando o fortalecimento
econômico das colônias americanas e se tornando fator decisivo, não só para sua posterior
independência como para o surgimento da grande nação da América do Norte. Os ingleses
tomaram Cuba dos espanhóis em 1760 e, em um período inferior a um ano, dobraram o
número de escravos e tornaram Cuba um dos maiores produtores mundiais de açúcar. Em
1791, uma violenta revolução de escravos no Haiti aniquilou completamente sua produção de
açúcar e expulsou os franceses que, então, foram para a Louisiana dando início à indústria
açucareira norte-americana. O Brasil não estava no centro dos acontecimentos, mas
continuava entre os cinco maiores produtores nessa época.
No início do século XIX, os ingleses promoveram um bloqueio continental contra os
franceses, impedindo que eles recebessem o açúcar de suas colônias ou de outros lugares além
mar. Nessa ocasião, Napoleão incentivou a produção de açúcar a partir da beterraba, graças à
técnica desenvolvida por Andrés Marggraf em 1747. Assim, finalmente a Europa passou a
não depender mais da importação de açúcar de cana de outros continentes. Por outro lado, em

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plena revolução industrial, o uso do motor a vapor acionando as moendas construídas em aço
(John Stewart, 1770), a evaporação múltiplo efeito (Norbert Rillieux, 1846), o cozedor a
vácuo (Charles Howard, 1812) e as centrífugas para separação do açúcar (Penzoldt, 1837),
possibilitaram às novas indústrias, tanto de beterraba, como de cana, um novo patamar
tecnológico. Isso diminuiu sobremaneira a competitividade dos engenhos de açúcar de cana
tradicionais baseados em moendas de madeira movidas por animais ou rodas d’água, tachos
de cozimento abertos, aquecidos a fogo direto e purga de méis por gravidade (Machado,
2003).
Em 1857, o imperador D.Pedro II elaborou um programa de modernização da
produção de açúcar no Brasil baseado em um novo conceito produtivo. Assim, surgiram os
Engenhos Centrais, que deveriam somente moer a cana e processar o açúcar, ficando o cultivo
de cana exclusivamente por conta dos fornecedores. Nessa época, Cuba liderava a produção
mundial de açúcar de cana com 25 % do total. Em 1874, o Brasil contribuía com apenas 5 %
de um total de 2.640.000 toneladas de açúcar (Machado, 2003).
Foram aprovados 87 Engenhos Centrais, mas foram efetivamente implantados apenas
12 projetos. A grande maioria não teve sucesso em função do desconhecimento operacional
dos novos equipamentos, da falta de interesse dos fornecedores, que preferiam produzir
aguardente ou mesmo açúcar pelos velhos métodos, além de um custo excessivo representado
pela aquisição de lenha para as caldeiras. Esses fatores contribuíram decisivamente para o
fracasso do modelo proposto para os Engenhos Centrais.
Apenas os engenhos que tinham cana própria e independiam de fornecedores é que
prosperaram. A essas unidades somaram-se outras, de iniciativa privada, tanto no Nordeste,
que concentrava o grosso da produção brasileira, como em São Paulo, sendo denominadas de
“Usinas de Açúcar”. Mesmo com essas novas usinas em operação, não foi possível fazer
frente à expansão do açúcar de beterraba que, por volta de 1900, ultrapassava mais de 50 % da
produção mundial (Machado, 2003).
Em 1914, a eclosão da I Guerra Mundial provocou a devastação da indústria de açúcar
européia, principalmente no norte da França. Esse fato provocou um aumento do preço do
açúcar no mercado mundial e incentivou a construção de novas usinas no Brasil, notadamente
em São Paulo, onde muitos fazendeiros de café desejavam diversificar seu perfil de produção.

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1.1.3. Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro no Brasil
No final do século XIX o Brasil era responsável por 70 % da produção mundial de
café. Após a abolição da escravatura, o governo brasileiro incentivou a vinda de imigrantes
europeus com a finalidade de suprir a mão de obra necessária nas fazendas de café, que na
época já se concentravam no interior paulista. Esses imigrantes foram, com o passar do
tempo, adquirindo glebas de terra permitindo o desenvolvimento de suas próprias atividades
agrícolas. Grande parte deles optou então pela produção de aguardente a partir da cana de
açúcar, pois era um produto de fácil comércio e de boa rentabilidade (Machado, 2003).
Assim, iniciou-se a construção de inúmeros engenhos nas regiões de Piracicaba e
Ribeirão Preto, que hoje são as grandes regiões produtoras e fornecedoras de serviços e
equipamentos do setor sucroalcooleiro. A região de Piracicaba foi a primeira a se desenvolver,
sendo que no início do século XX já era o maior centro produtor de açúcar de São Paulo.
A partir de 1910, impulsionados pelo crescimento da economia paulista, os engenhos
de aguardente foram rapidamente se transformando em usinas de açúcar, dando origem aos
grupos produtores mais tradicionais do estado na atualidade. Foi nessa época que Pedro
Morganti, juntamente com os irmãos Carbone e outros pequenos refinadores de açúcar,
formaram a Companhia União dos Refinadores, uma das primeiras refinarias de grande porte
do Brasil.
Em 1920, os irmãos Mário e Armando Dedini tomaram uma iniciativa que se tornaria
fundamental para o desenvolvimento do setor sucroalcooleiro brasileiro. Eles fundaram em
Piracicaba uma oficina mecânica, que logo depois se transformaria na primeira fábrica de
equipamentos para a produção de açúcar no Brasil, a Dedini.
A expansão da produção de açúcar também ocorria no Nordeste, principalmente nos
Estados de Pernambuco e Alagoas. As usinas nordestinas eram responsáveis por toda a
exportação brasileira e ainda complementavam a demanda dos estados do sul, cuja produção
ainda não era suficiente para atender o consumo.
A produção do Nordeste e a rápida expansão das usinas paulistas acenavam para um
risco eminente, a superprodução. Assim, com o intuito de controlar a produção, foi criado em
1933, durante o governo Getúlio Vargas, o Instituto do Açúcar e Álcool (IAA). O mecanismo
de controle adotado pelo IAA foi o regime de cotas, onde se atribuía a cada usina brasileira
uma determinada quantidade de cana a ser moída e sua respectiva produção de álcool e
açúcar.

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Em função da II Guerra Mundial, as usinas paulistas reivindicaram o aumento da
produção para que não houvesse o desabastecimento dos estados do sul. A solicitação foi
aceita e as usinas paulistas nos dez anos subseqüentes multiplicaram por quase seis vezes sua
produção e no início da década de 50 acabaram com a hegemonia produtiva da região
Nordeste.
Foi nesse período que surgiram em São Paulo aquelas que até hoje fazem parte das
maiores unidades produtoras brasileiras e estão entre as maiores do mundo, como a Usina da
Barra, São Martinho, Santa Elisa, entre outras. Esse foi apenas um episódio das disputas sobre
o aumento de cotas de produção que marcaram todo o período de existência do IAA, até sua
extinção em 1990.
Desde a II Guerra Mundial os esforços da indústria açucareira brasileira se
concentraram na multiplicação da capacidade produtiva, pois, amparada por uma ampla
extensão territorial e condições climáticas largamente vantajosas em relação às outras regiões
produtoras mundiais, a eficiência produtiva foi deixada em segundo plano.
As constantes alterações na cotação do açúcar no mercado internacional e a
obsolescência que já se fazia sentir em usinas que haviam sido montadas e mantidas quase
que nos mesmos padrões do início do século XX, forçaram a uma mudança de atitude para a
manutenção da rentabilidade.
Nesse sentido, em 1959 foi formada uma cooperativa com mais de uma centena de
produtores paulistas, a Cooperativa Privada dos Produtores de Cana de Açúcar e Álcool do
Estado de São Paulo (COPERSUCAR), com a finalidade de defesa dos preços de
comercialização e, também, de buscar novas tecnologias para o setor.
A indústria açucareira de países como a Austrália e a África do Sul representavam o
modelo de modernidade que as usinas brasileiras desejavam e foi principalmente da África do
Sul que vieram novidades como a moenda de quatro rolos com alimentação forçada por uma
calha conhecida como Donnelly, o desfibrador, entre outras (Machado, 2003).
Esses fatos de grande desenvolvimento, juntamente com a criação do Programa
Nacional do Álcool (PROÁLCOOL) em 1975, foram de importância fundamental para o
Brasil enfrentar as crises mundiais do petróleo, uma vez que o álcool é um combustível 100 %
nacional.
O PROÁLCOOL teve como principais objetivos expandir a cultura da cana de açúcar,
principalmente do Sudeste devido às condições naturais e conjunturais da região; incentivar as
grandes usinas de açúcar também a produzirem álcool; além de estimular o consumo de álcool
em veículos, puro ou misturado à gasolina.

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De modo semelhante ao que ocorreu em São Paulo, o PROÁLCOOL alavancou o
desenvolvimento de novas regiões produtoras, como o Paraná, Goiás, Mato Grosso do Sul e
Mato Grosso. Em menos de cinco anos a produção brasileira de álcool, passou de pouco mais
de 300 milhões de litros para 11 bilhões de litros, caracterizando o PROÁLCOOL como o
maior programa de energia renovável já estabelecido em termos mundiais, economizando
mais de US$ 30 bilhões em divisas para o Brasil (Machado, 2003).
Acompanhando o crescimento da produção de álcool, a moagem de cana no Brasil
aumentou significativamente entre os anos de 1975 e 1985, saindo de 70 milhões para 225
milhões de toneladas de cana esmagada em uma única safra (MCT, 1998).
Todos objetivos almejados pelo PROÁLCOOL foram alcançados, no entanto, a partir
de 1986, com o declínio dos preços internacionais do petróleo, ele começou a ser questionado
em função de alguns fatores, dentre os quais pode-se destacar: o alto custo do programa; a
expansão do plantio da cana de açúcar em detrimento, por vezes, dos espaços agrícolas
ocupados por outras culturas alimentares; o fato do álcool não substituir totalmente o petróleo,
e o fato de gerar excedentes de gasolina de difícil comercialização, uma vez que o mercado
internacional oferecia preços mais baixos.
Sob o ponto de vista econômico, o PROÁLCOOL não foi um bom negócio. Em 1983,
quando o barril do petróleo custava US$ 40, o de álcool custava US$ 65. Já em 1988, o custo
e um barril de álcool caiu para US$ 38 e o de petróleo para US$ 15. Além do problema dos
custos, o PROÁLCOOL produziu um paradoxo, pois ao mesmo tempo em que permitia a
economia de 180 mil barris/dia de gasolina, o PROÁLCOOL também obrigava a Petrobrás a
exportar 120 mil barris/dia de gasolina, isso porque a gasolina é produzida de qualquer modo
na refinação do petróleo para a produção de diesel. Esses barris eram exportados a preço de
custo (US$ 22 o barril), o que não era um bom negócio para a Petrobrás e muito menos para
os consumidores (Castro, 2003).
Em 1986, quando o PROÁLCOOL começou a ser questionado, a produção de carros a
álcool chegou atingir a marca de 76 % do total dos carros produzidos no Brasil (considerando
motores a álcool, gasolina e diesel). Esse número teve seu máximo de 95 % no final da década
de 80. A partir daí, esse percentual foi caindo gradativamente, chegando a 0,06 % no ano de
1997, quando esse número começou a crescer novamente (UNICA, 2004).
Com o impacto sofrido pelo PROÁLCOOL, a quantidade de cana esmagada no Brasil
se manteve em torno de 225 milhões de toneladas entre os anos de 1986 e 1993. A partir de
1993, a quantidade de cana processada aumentou gradativamente até atingir 314,9 milhões de

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toneladas em 1998. Neste mesmo ano, a produção de açúcar atingiu mais 358 milhões de
sacas (50 kg cada) e 13,8 milhões de 3
m de álcool (UNICA, 2004).
Depois de dois anos de super oferta de cana e, conseqüentemente, de açúcar e de
álcool, os preços de toda a cadeia despencaram de forma que a saca de açúcar chegou a ser
negociado por menos de R$ 9,00 em 1999, um preço bem menor, por exemplo, que o preço
médio de 2003 que foi de R$ 30,57, segundo informações da União da Agroindústria
Canavieira de São Paulo (UNICA). Além disso, ocorreu uma violenta geada seguida de seca
em 1999 e outra também em 2000, que acabaram quebrando a produção de cana. Em 2000, a
produção de cana no Brasil caiu para 257,6 milhões de toneladas, o que representou uma
queda de 18 % em dois anos, isso dentro de um cenário de constante crescimento desde 1993
(UNICA, 2004).
No entanto, a redução da capacidade de cana moída nesse período fez com que o
álcool e açúcar ficassem mais escassos e, conseqüentemente, tivessem seus preços
aumentados no mercado. Assim, a quantidade de cana moída voltou a aumentar, atingindo
359,3 milhões de toneladas no ano de 2003. Conseqüentemente, as produções também
aumentaram, principalmente a de açúcar que foi de 498,5 milhões de sacas, acompanhada de
14,1 milhões de 3
m de álcool (UNICA, 2004).
Em seu primeiro levantamento no ano de 2004 (safra 04/05), a UNICA estima que o
Centro-Sul, responsável em 2003 por cerca de 88 % da cana moída no Brasil, irá colher 319,9
milhões de toneladas de cana, o que representa algo em torno de 6,9 % a mais que a safra
anterior. Esse crescimento é resultado do aumento da área a ser colhida em 323 mil hectares,
ou seja, uma expansão da ordem de 9,2 %. Em São Paulo, que representa mais de 60% da
produção brasileira de cana, a previsão é de um aumento de 7,7 % (Agrinova, 2004).
Maiores detalhes sobre o histórico brasileiro da produção de cana, açúcar e álcool das
últimas safras podem ser vistos no Apêndice A. Neste mesmo apêndice é ilustrada a
contribuição do Estado de São Paulo, com relação ao restante do país.
1.1.4. Desenvolvimento do Setor Sucroalcooleiro no Oeste Paulista
A região oeste paulista teve seu desbravamento com a abertura da estrada de ferro
Noroeste do Brasil no início do século XX, ate então uma região de mata totalmente inóspita
ao ser humano. A quase totalidade das cidades fundadas na região teve como origem a estrada
ferroviária e, em Araçatuba, a partir de 1909, começam a chegar pela rodovia os primeiros

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moradores que vieram para desbravar o sertão, surgindo, então, ciclos relevantes de imigração
(italianos, japoneses, libaneses e portugueses), destacando-se as imigrações italianas no
intervalo entre as duas guerras mundiais (Mannarelli Filho, 2002).
Dentre alguns ciclos econômicos que se sucederam no Oeste do Estado de São Paulo,
desde o início do século XX até os dias atuais, pode-se destacar os ciclos do café, do algodão
e da pecuária. A cana-de-açúcar só se estabeleceu na região como atividade econômica
importante no final dos anos 70 com o surgimento do PROÁLCOOL. No entanto, apenas na
segunda fase da crise do petróleo, é que a região Oeste Paulista, até então ocupada por
grandes pastagens de gado, cedeu espaço para instalação de quase duas dezenas de unidades
autônomas de produção de álcool. Os pecuaristas da região aceitaram o desafio do governo e
passaram a produzir álcool, era a tentativa do Brasil de deixar de ser dependente do petróleo
importado. As destilarias foram planejadas na região a partir de 1978 e no início da década de
80, houve um verdadeiro boom, período no qual a Destilaria Pioneiros, localizada em Sud
Mennucci, também começou a operar produzindo inicialmente álcool (Mannarelli Filho,
2002).
A região Oeste Paulista contou com a ajuda do IAA na pesquisa e desenvolvimento de
novas variedades de cana que melhor se adaptassem a região. O IAA possuía um programa de
pesquisa, denominado de Programa Nacional de Melhoramento da Cana de Açúcar
(PLANALSUCAR) que foi responsável por ministrar cursos, desenvolver treinamentos,
organizar encontros de gerentes, promovendo o aperfeiçoamento e formação básica de
gerentes e técnicos.
Apesar da contribuição do IAA, os empresários começaram a perceber que precisavam
solucionar problemas regionais que a política nacional não previa e, para isso, criaram o
Grupo de Trabalho do Álcool (GTA). Esse grupo era um fórum para informar e promover
reuniões mensais com discussões das questões regionais ligadas ao setor produtivo do álcool.
O mesmo foi crescendo e ganhando maior representatividade, resultando, em 1986, na criação
da União das Destilarias do Oeste Paulista (UDOP) para tratar dos assuntos políticos,
trabalhistas, tributários e, também, para formar e aprimorar os profissionais do setor. Essa
intenção levou a uma parceria com o PLANALSUCAR, resultando na implantação de uma
série de cursos técnicos de interesse da área (Mannarelli Filho, 2002).
Quando iniciou suas atividades, a UDOP contava com 16 associadas e depois esse
número passou para 19. A desaceleração do PROÁLCOOL e a crise de produção em 1999
levaram ao fechamento de várias unidades e a entidade passou a ter somente 10 associadas.
Atualmente, a UDOP congrega 34 unidades, sendo que a maioria também fabrica açúcar,

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além de álcool, resultando num novo significado para a sigla UDOP: Usinas e Destilarias do
Oeste Paulista. Os dados de produção das últimas safras das associadas a UDOP podem ser
vistos no Apêndice B (UDOP, 2004).
A exigência por custos de produção cada vez mais baixos levou os produtores a saírem
de suas regiões a procura de áreas mais competitivas, tendo sido verificado que o Oeste
Paulista seria a melhor opção, devido ao solo fértil, a existência de água em abundância e a
grande incidência de sol, além de ter espaço para expansão e preço de terra.
Hoje se calcula que existam mais de 20 projetos a serem implantados nessa região,
ampliando a capacidade de processamento para mais de 20 milhões de toneladas de cana por
ano e envolvendo investimento de cerca de R$ 1 bilhão. O grande número de usinas que
deverão ser instaladas chamou a atenção das empresas prestadoras de serviços e fornecedoras
de produtos e equipamentos para a indústria canavieira, que recentemente começaram a
montar suas filiais na região.
Atualmente, o Oeste Paulista é a segunda maior região produtora de cana de açúcar do
país, perdendo somente para a região de Ribeirão Preto. Na safra 2003/2004, a região
produziu cerca de 30 milhões de toneladas de cana e a expectativa para a safra 2004/2005 é de
40 milhões de toneladas. A região tem área suficiente para alcançar 100 milhões de toneladas
nos próximos anos (UDOP, 2004).
Na região de Ribeirão Preto, o setor não irá regredir, mas sim estacionar, pois não há
mais como crescer. Tanto é verdade que os produtores do nordeste paulista também estão
investindo nas proximidades de Araçatuba, que vem sendo considerada como o “Novo
Eldorado Canavieiro”.
Segundo dados da Coordenadoria de Assistência Técnica Integral (CATI), houve um
crescimento 196,5 % da área de plantio de cana no Oeste Paulista no período de um ano,
passando de 13 mil hectares em novembro de 2002 para 38,6 mil hectares em novembro de
2003 (IdeaNews, 2004).
A contribuição percentual da produção das associadas a UDOP com relação ao Estado
de São Paulo vem crescendo desde a safra 2000/2001, porém, esse crescimento foi mais
significativo nas safras 2002/2003 e 2003/2004, como pode ser verificado através dos gráficos
apresentados no Apêndice B.
O crescimento do setor sucroalcooleiro contribuiu para a diminuição das áreas
destinadas a outros setores de produção. A pecuária teve redução de 5,8 %, passando de 424,1
mil hectares para 399,6 mil hectares e a área com laranjais diminuiu 6 %, passando de 51,9
mil hectares em 2002 para 48,7 mil hectares um ano depois (IdeaNews, 2004).

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Os custos de investimentos mais baixos foram os fatores motivadores para que os
agricultores mudassem suas culturas, por exemplo, o produtor precisa investir R$ 2,12 mil
para formar um hectare de cana, enquanto o capital investido para a plantação da mesma área
de laranja é de R$ 7,89 mil e, em pastos, R$ 2,88 mil (IdeaNews, 2004).
1.1.5. Histórico e Perspectivas da Destilaria Pioneiros
A história da Destilaria Pioneiros começou em 1979 com a visão empreendedora dos
irmãos Cícero Junqueira Franco e Marco Antônio Marinho Junqueira Franco (já falecido) e de
um grupo de pecuaristas locais que, contando com o apoio das autoridades da época,
investiram na possibilidade de dinamizar a economia da região e gerar novos empregos fora
do tradicional setor agropecuário. Assim, em julho de 1980 iniciou-se o embrião da empresa
numa fazenda de engorda de gado situada às margens do Rio Tietê (Fazenda Santa Maria da
Mata) na cidade de Sud Mennucci, região noroeste do estado de São Paulo.
A Destilaria Pioneiros, inicialmente produzia somente álcool, mas a partir de 1994
deixou de ser uma simples destilaria e passou a ser uma usina produtora de açúcar, embora
tenha mantido até os dias atuais a mesma razão social. Apesar da grande crise enfrentada por
todo setor sucroalcooleiro no ano de 1999, a Destilaria Pioneiros está em constante
crescimento e investindo em pessoas e tecnologia, seja no processamento da cana para
fabricação de açúcar e álcool ou na cogeração de energia elétrica para venda às
concessionárias.
O crescimento ocorrido, principalmente após 1999, pode ser observado na Fig. 1.1 que
mostra a quantidade de cana moída pela Destilaria Pioneiros nas últimas safras. Na safra
2004/2005 a expectativa é moer cerca de 1.190.000 t, o que representa um aumento de 12,1 %
com relação à safra anterior.
Igualmente ao comportamento em outros setores, o mix de produção no setor
sucroalcooleiro também é ditado pelo mercado. Ou seja, a opção de se produzir
preferencialmente mais açúcar ou álcool se dá a partir da demanda de mercado. Observa-se
nos gráficos das Figs. 1.2 e 1.3, referentes às produções de açúcar e álcool por tonelada de
cana moída, que, após a safra 2000/2001, houve uma leve tendência de se produzir mais
açúcar, o que mostra que o mercado estava ao longo dessas safras remunerando melhor a
produção de açúcar que a de álcool.

12
896 896 882
628
693
823
1.093
0
250
500
750
1.000
1.250
97/98 98/99 99/00 00/01 01/02 02/03 03/04
Safras
t(x1000)
Figura 1.1 – Cana moída pela Destilaria Pioneiros nas últimas safras.
43
64
76
64
70 69
73
0
15
30
45
60
75
90
97/98 98/99 99/00 00/01 01/02 02/03 03/04
Safras
kg/t
Figura 1.2 – Quantidade de açúcar produzido em função da quantidade
de cana moída na Destilaria Pioneiros nas últimas safras.
60
43 43
47
44 42 41
0
15
30
45
60
75
97/98 98/99 99/00 00/01 01/02 02/03 03/04
Safras
l/t
Figura 1.3 – Quantidade de álcool produzido em função da quantidade

13
No Apêndice B são apresentadas informações adicionais sobre as produções de cana,
açúcar e álcool da Destilaria Pioneiros nas últimas safras.
Além do açúcar e do álcool, principais produtos de uma usina, nos dias atuais, o
bagaço também passou a ser um produto valorizado, principalmente com o advento da
cogeração para venda de energia. Com a possibilidade de vender energia elétrica, as
destilarias e usinas passaram a investir em caldeiras e turbo geradores mais eficientes de
forma a minimizar o consumo de bagaço e maximizar a geração de energia elétrica para
exportação.
A Fig. 1.4 ilustra a quantidade de bagaço produzida em função da cana moída na
Destilaria Pioneiros nas últimas safras.
273
286 284
295 293
281 274
0
70
140
210
280
350
97/98 98/99 99/00 00/01 01/02 02/03 03/04
Safras
kg/t
Figura 1.4 – Quantidade de bagaço produzido em função da quantidade
Nesse contexto, a Destilaria Pioneiros substituiu suas duas caldeiras antigas por uma
única (MC 150/70) mais eficiente, projetada para gerar nominalmente 150 t vapor/hora a uma
pressão de 6.468 kPa ( 2
cmkgf66 ) e temperatura de 530 ºC.
Além disso, a Destilaria Pioneiros adquiriu em 2002 um turbo gerador Alstom que tem
capacidade de gerar nominalmente 40 MVA com uma turbina múltiplos estágios de extração e
condensação que é preparada para trabalhar, em condições normais de operação, com o vapor
de alta pressão proveniente da caldeira MC 150/70 e podendo atingir uma eficiência de 87 %.
Esse número é bastante expressivo quando comparado com o número equivalente a uma
turbina de simples estágio que tem eficiência em torno de 40 %.
O planejamento inicial da empresa era ter a garantia de comercialização de energia
excedente através de um contrato de venda ainda em 2004, após a colocação em operação da

14
nova caldeira e do novo turbo gerador. No entanto, em função da Destilaria Pioneiros não ter
conseguido essa garantia, ela optou por não montar o turbo gerador, montando apenas a
caldeira, que também tinha a finalidade de substituir as outras que estavam obsoletas. Nessa
situação, a caldeira não pode operar em suas condições nominais de projeto. Esse assunto será
melhor abordado nos estudos de casos que serão feitos posteriormente.
A Destilaria Pioneiros, que atualmente produz energia elétrica somente para o
consumo interno, tem a expectativa de conseguir o contrato de venda de energia para 2006 e,
assim, montar o turbo gerador para venda de energia excedente. Além disso, serão montadas
também uma subestação elevatória de 13,8 kV para 138 kV e uma linha de transmissão. É
importante ressaltar que a empresa não tem a obrigação de fazer o contrato de venda de
energia com a concessionária local (ELEKTRO), podendo fazer o contrato com outras
concessionárias como, por exemplo, Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (ELETROBRAS) e
Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL).
Além dos projetos para a planta localizada na cidade de Sud Mennucci, a Destilaria
Pioneiros tem em andamento um projeto para a implantação de uma nova unidade
processadora de cana no município de Ilha Solteira. No planejamento inicial da empresa, essa
nova usina deve estar operando a partir de 2008 e tem como objetivo planejado crescer até
atingir a capacidade de esmagamento de cerca de 4,5 milhões de toneladas de cana no ano de
2013. Esse número é 4 vezes maior que a moagem da unidade de Sud Mennucci na safra
2003/2004, que foi de aproximadamente 1,1 milhão de toneladas de cana.

15
1.2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro
1.2.1. Aspectos Gerais e Histórico da Cogeração
No dicionário, o prefixo “co” expressa a idéia de companhia ou simultaneidade, mas,
se associado à palavra geração, o termo ganha mais importância, principalmente em tempos
em que produtividade é palavra chave na obtenção de resultados, pois a cogeração é uma das
alternativas mais adequadas para que plantas de usinas de açúcar e álcool, papel e celulose,
entre outras, aumentem a produção sem causar grandes danos ao meio ambiente.
O termo “cogeração” é de origem americana e é empregado para designar os processos
de produção combinada de energia térmica e potência, mecânica ou elétrica, com o uso da
energia liberada por uma mesma fonte primária de combustível, qualquer que seja o ciclo
termodinâmico. Normalmente, são usados os ciclos Rankine, que são aqueles que empregam
turbinas a vapor, ou os ciclos Brayton, que utilizam turbinas a gás.
Pelo fato de serem obtidos dois produtos de valores distintos, energia térmica e
potência, utilizando uma mesma fonte de energia, os sistemas de cogeração tornam-se
atrativos por apresentarem eficiências de primeira lei maiores do que aquelas encontradas
quando ambas formas de energia são produzidas em processos independentes. Estas
eficiências podem ser da ordem de 75 % a 90 % (Walter, 1994).
As usinas do setor sucroalcooleiro podem ser consideradas empreendimentos de
cogeração, pois, a partir da queima de bagaço, que é considerada uma fonte primária de
energia, geram o vapor que será fornecido às turbinas de acionamentos mecânicos, como
bombas, moendas, desfibradores, entre outros, e, também, para os geradores de energia
elétrica. O vapor que sai das turbinas, chamado de “vapor de escape”, é usado como
reservatório térmico no processamento do caldo de cana.
Um dos aspectos mais importantes inerentes à definição, mas com muita relação com a
funcionalidade da tecnologia, é que estes sistemas são projetados para satisfazer
fundamentalmente a demanda térmica do consumidor (paridade térmica), já que não é viável,
na maioria dos casos, comprar este tipo de energia de outra empresa. A potência elétrica
produzida pode atender parte ou a totalidade das necessidades da própria planta industrial,
existindo também a possibilidade de produção de excedente de energia elétrica para a venda,
constituindo-se em mais um produto da empresa.
A Fig. 1.5 ilustra uma situação hipotética de uma planta de cogeração que opera de
acordo com a curva de demanda térmica (Balestieri, 2002).

16
Figura 1.5 – Central de cogeração a vapor operando
em paridade térmica e curvas de demanda.
Analisando-se a Fig. 1.5, nota-se que, como a potência gerada depende da vazão
destinada ao processo e da diferença de entalpia entre os pontos 3 e 4 (suponha que seja 300
kgkJ ), seu valor variará de acordo com a operação da central de cogeração em paridade
térmica. No primeiro bloco, quando a unidade de processo demanda 10 skg de vapor, a
potência gerada será 3.000 kW , apresentando auto-suficiência em função da demanda
elétrica. Enquanto no segundo bloco, a vazão se eleva para 15 skg e a potência elétrica
gerada passa para 4.500 kW , que é uma condição de excedente, já que nesse bloco a
demanda elétrica ainda permanece 3.000 kW . No último estágio, o processo requer
novamente somente 10 skg de vapor e com isso a geração volta para 3.000 kW , que não é
suficiente para a demanda elétrica em questão de 6.000 kW .
No caso de operação em paridade elétrica, a central deve atender às necessidades
regidas pela curva de demanda eletromecânica, sendo a energia liberada para atender a
demanda térmica uma decorrência desse processo. Ou seja, a vazão de vapor é uma variável
dependente da necessidade eletromecânica.
A operação em paridade térmica é usada pelas usinas sucroalcooleiras, pois tem sua
geração de vapor ditada pelo consumo de vapor da unidade de processo, ou seja, aquele usado
principalmente na fabricação do açúcar e do álcool. Normalmente, existem válvulas de
controle nas plantas que atuam quando há falta de vapor de processo, isto é, elas injetam

17
vapor do ponto 3 para o ponto 4 (vapor de escape), de acordo com a Fig. 1.5, até se atingir o
nível de pressão desejado.
Nos casos das plantas que têm por objetivo produzir excedente de energia elétrica para
venda, o vapor é fornecido a um turbo gerador de maior eficiência que rebaixará a pressão do
vapor a níveis desejados e produzirá energia elétrica. Após a passagem por esse turbo gerador
o vapor poderá ser direcionado para outras turbinas de acionamento mecânico destinadas aos
processos de fabricação de açúcar e álcool.
Assim, um sistema de cogeração fica constituído por uma combinação de
equipamentos convencionais dentro da engenharia energética (caldeiras, turbinas, trocadores
de calor e outros) que, integrados funcionalmente numa determinada planta, procuram obter o
maior aproveitamento da fonte primária de energia que, no caso das usinas do setor
sucroalcooleiro, é uma fonte renovável de energia (bagaço de cana). À medida que o bagaço é
consumido, mais cana pode ser plantada para suprir o consumo, ao contrário do carvão, do
petróleo ou do gás, que uma vez consumidos, se perdem para sempre.
Na passagem para os anos 80, a cogeração adquiriu importância, pois a partir daí
foram decisivas as tendências de desregulamentação da indústria elétrica em alguns países,
além da adoção de política de racionalização de energia com objetivos de mais longo prazo.
No final dessa década, a produção combinada de energia térmica e potência voltou a ser
priorizada no contexto das políticas energéticas, visando à minimização dos impactos
ambientais provocados por outras fontes de energia.
No entanto, foi nos últimos anos que o setor elétrico brasileiro sofreu várias mudanças
estruturais que alavancaram uma série de inovações, quer seja de ordem institucional ou a
nível de regulamentação, e que alteraram sensivelmente o panorama, até então estável e
controlado pelo governo, para um ambiente competitivo. Assim, foram criadas a Agência
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em 1996, o Operador Nacional do Sistema Elétrico
(ONS) e o Mercado Atacadista de Energia (MAE) em 1998, e a Câmara de Gestão da Crise
Energética (CGCE) em 2001, dentre outras agências e órgãos, que passaram a regular o
sistema elétrico dentro de um novo contexto, cujo objetivo maior foi passar de um mercado de
energia elétrica onde predominam os consumidores cativos, para um mercado de livre
negociação.
O caráter dinâmico com que estas mudanças estão acontecendo dentro do setor elétrico
e as implicações que as mesmas podem trazer para o caso do uso da cogeração no setor
sucroalcooleiro motivaram a elaboração deste trabalho.

18
De uma forma geral, os anos de 2000 e 2001 foram marcados por grandes
acontecimentos dentro do setor elétrico, como por exemplo, a crise energética provocada
pelos baixos níveis de armazenamento dos reservatórios das usinas hidrelétricas,
principalmente aqueles pertencentes às usinas do sistema interligado da região sudeste. Esta
ocorrência mobilizou toda a sociedade para adesão ao plano de racionalização de energia.
Apesar dos inúmeros inconvenientes causados durante o período de racionalização de
energia, que se estendeu até fevereiro de 2002, o momento se tornou propício à retomada da
introdução de novas fontes de energia primária na Matriz Energética Nacional, como uma
forma de complementação energética.
Dentro deste contexto é que foram desenvolvidos alguns programas para incentivar a
geração termelétrica a gás natural e a cogeração a partir de biomassa, dentro da qual está o
bagaço de cana. Dessa forma, a utilização da biomassa para geração de energia pode vir a se
constituir num apoio à oferta de energia, não apenas nos momentos de crise energética, mas
como um incremento à oferta de energia dentro do sistema interligado.
1.2.2. Caracterização dos Sistemas de Cogeração no Setor Sucroalcooleiro
No setor sucroalcooleiro o principal sistema de cogeração é aquele que emprega
turbinas a vapor como máquinas térmicas e que aparece vinculado a três configurações
fundamentais: turbinas de contrapressão, combinação de turbinas de contrapressão com outras
de condensação que empregam o fluxo excedente e turbinas de extração-condensação. A
condensação de uma parte do vapor de escape, ou de uma extração de vapor de uma turbina
de extração-condensação, garante as necessidades de energia térmica do sistema.
A Fig. 1.6 apresenta graficamente um esquema de processo trabalhando em regime de
cogeração que emprega turbinas de contrapressão.

19
Figura 1.6 – Diagrama de um sistema de cogeração com turbinas a vapor de contrapressão.
Às vezes uma mesma indústria precisa de vapor a distintos níveis de pressão, o que
pode estar unido à necessidade de estabilizar o fornecimento da energia elétrica às
concessionárias. Segundo Sánchez Prieto (2003), a solução adequada pode ser a combinação
de turbinas a vapor de contrapressão com turbinas de condensação, estrutura que permite uma
maior flexibilidade às entregas de energia elétrica e energia térmica para processo, ainda que
o custo de duas turbinas seja maior do que o custo de uma, aliado ao fato da complexidade do
ponto de vista operativo.
Quando o objetivo principal visa adequar a instalação para produção e venda de
energia excedente, o uso de turbinas de extração-condensação é mais viável. Além de altos
índices de desempenho, tais máquinas de condensação com extração regulada se justificam
também pela sua capacidade de satisfazer a relação energia térmica e elétrica que pode variar
em uma ampla faixa.
Este sistema, com maior capacidade de produção elétrica, possui normalmente
turbinas de extração dupla, sendo a primeira, no nível de pressão em que o vapor é requerido
pelas turbinas de acionamento mecânico, e a segunda, na pressão em que o vapor é consumido
no processo produtivo. Comumente, o vapor de escape das turbinas de acionamento mecânico
soma-se ao fluxo da segunda extração, visando satisfazer a demanda de vapor do processo.
Dentro do setor sucroalcooleiro, a adoção de tal sistema implica em analisar a viabilidade de
operação de tal sistema no período fora da safra, conjuntamente com o emprego de outros
combustíveis para complementar a falta de bagaço na entre safra.

20
A Fig. 1.7 ilustra um esquema de processo trabalhando em regime de cogeração que
emprega uma turbina de extração-condensação.
Figura 1.7 – Diagrama de um sistema de cogeração com
turbina a vapor de extração-condensação.
Por outro lado, turbinas a gás têm sido usadas nas áreas industrial e aeronáutica como
elementos geradores de energia elétrica e/ou acionamento mecânico, assim como propulsores
de aeronaves. A evolução tecnológica de seus componentes implicou numa grande
contribuição ao incremento da sua eficiência, que junto da disponibilidade crescente de gás
natural a preços competitivos tem favorecido a implantação de sistemas de cogeração com
turbinas a gás.
Os gases de escape carregam entre 60 e 80 % da energia primária que entra na turbina
e constituem, de fato, a fonte de energia térmica fundamental nestes sistemas. Assim, as
temperaturas relativamente altas (400 a 600 ºC), o elevado conteúdo de oxigênio nos gases de
saída (13 a 18 %), decorrente do excesso de ar usado na combustão e os baixos teores de
gases poluentes com o emprego de gás natural como combustível, constituem o ponto de

21
partida de algumas modificações feitas no ciclo padrão, visando acréscimos nos valores da
eficiência térmica e/ou trabalho líquido (Sánchez Prieto, 2003).
Neste sentido, os esforços têm sido dirigidos ao aproveitamento do potencial
energético dos gases de escape da turbina, sendo uma das primeiras modificações estudadas e
avaliadas, o Ciclo de Turbina a Gás com Regenerador, que aproveita a energia dos gases na
saída da expansão para o aquecimento do ar antes da câmara de combustão. Esse é o mesmo
princípio das caldeiras que têm pré-aquecedor de ar, pois nessas caldeiras o ar que é injetado
na fornalha sofre anteriormente um pré-aquecimento trocando calor com os gases de
combustão que vão ser liberados para a atmosfera.
O termo “ciclo combinado” tem sido reservado para a instalação cuja essência de
funcionamento consiste em aproveitar a energia dos gases de saída da turbina a gás para gerar
vapor sob pressão na caldeira de recuperação de energia térmica e, posteriormente, obter mais
potência elétrica numa turbina a vapor, constituindo-se assim numa combinação do ciclo a gás
com o ciclo a vapor. A Fig. 1.8 mostra um sistema de cogeração com ciclo combinado.
Figura 1.8 – Diagrama de um sistema de cogeração com ciclo combinado de gás e vapor.

22
Quando o caso tratado é sem queima adicional, a concepção da caldeira de
recuperação é geralmente mais simples. Os parâmetros do vapor gerado são funções diretas da
vazão e temperatura dos gases na saída da turbina a gás.
Os ciclos que utilizam a combinação de gás e vapor podem sofrer algumas variantes.
Uma delas é quando parte do vapor produzido na caldeira de recuperação é injetada na câmara
de combustão da turbina a gás, facilitando as condições para criar uma mistura apropriada
para obtenção de um efeito mais apreciável na redução das emissões de xNO .
1.2.3. Desenvolvimento da Cogeração no Setor Sucroalcooleiro
A cogeração tem uma grande aceitação no setor sucroalcooleiro fundamentalmente em
razão da sua adequação, pois o combustível empregado é um rejeito do processo de fabricação
e os produtos do sistema, potência mecânica ou elétrica e vapor, são utilizados no próprio
processo (Sánchez Prieto & Nebra, 2001).
Enquanto as usinas do setor utilizavam turbinas somente para acionamentos mecânicos
e geração de energia elétrica somente para consumo próprio, os parâmetros de trabalho do
vapor gerado pelas caldeiras, chamado de vapor direto, eram de 2.156 kPa ( 2
cmkgf22 abs.)
de pressão e 290 ºC de temperatura. Isso porque não se tinha a preocupação com eficiências
energéticas altas e, além disso, as turbinas para essa classe de pressão, originalmente de um
único estágio e de baixa eficiência, eram favoráveis ao balanço térmico das plantas. Ou seja, a
demanda térmica de processo era atendida com a utilização das turbinas ineficientes no
sistema.
No entanto, com advento da cogeração e a possibilidade de exportação de energia
elétrica, além da competitividade do mercado, as usinas passaram a se preocupar com a
eficiência das suas máquinas térmicas, já que nessa situação, além de atender a demanda
térmica e eletromecânica, o excedente de energia pode ser vendido.
Dentro desse contexto, passou-se a repensar no consumo de vapor de processo, na
substituição de acionamentos mecânicos de baixa eficiência (turbinas a vapor de simples
estágio) por motores elétricos, na readaptação das turbinas simples estágio para múltiplos
estágios e na geração de energia elétrica através de máquinas térmicas mais eficientes, ou
seja, de múltiplos estágios, podendo ou não ser de extração-condensação. Porém, para atender
as necessidades técnicas de tais máquinas, os níveis de pressão e temperatura do vapor gerado
pelas caldeiras nas plantas das usinas tiveram que ser alterados, passando para 4.214 kPa

23
( 2
cmkgf43 abs.) e 420 ºC, respectivamente. Nos dias atuais, está sendo bastante comum
nas usinas a geração de vapor nessa pressão e temperatura, de forma que a tendência está
sendo a substituição das plantas de baixa pressão ( 2
cmkgf22 ) por essas de média pressão
( 2
cmkgf43 ).
Com os avanços tecnológicos, tem surgido no mercado máquinas térmicas a vapor
com eficiências ainda mais altas, porém, para se conseguir tais rendimentos, é necessário que
as plantas operem gerando vapor de alta pressão, ou seja, 6.174 kPa ( 2
cmkgf63 abs.) e
normalmente 480 ºC. No caso da Destilaria Pioneiros, foi adquirido um turbo gerador que
opera com 6.468 kPa ( 2
cmkgf66 abs.) e 530 ºC, que será melhor detalhado nos casos a
serem estudados.
É importante ressaltar que os níveis de temperatura do vapor direto são limitados pelas
restrições dos materiais utilizados em equipamentos e tubulações. Isso porque para
temperaturas acima de 480 ºC tem-se a necessidade de utilizar aço com alto teor de elementos
de liga que podem inviabilizar o negócio em função do alto preço.
Nas usinas de açúcar e álcool, o vapor direto é usado em turbinas a vapor que geram
potência mecânica. Essa potência pode ser usada diretamente no acionamento de
equipamentos como moendas, bombas, desfibradores, picadores, entre outros, ou
transformada em potência elétrica nos geradores elétricos, que por sua vez geram a energia
para os acionamentos elétricos. Em ambos os casos, há a liberação do vapor de baixa pressão,
normalmente em torno de 0,245 MPa ( 2
cmkgf2,5 abs.), que é utilizado no processo, nas
operações de aquecimento, evaporação, destilação e cozimento.
Segundo um estudo feito por Lobo et al. (2002), as empresas que utilizam turbo
geradores de múltiplos estágios e motores elétricos no acionamento das moendas consomem
42,1 kg de bagaço para moer uma tonelada de cana, enquanto que outras, que utilizam
turbinas menores e menos eficientes nos acionamentos, necessitam de 120 kg de bagaço para
realizar a mesma tarefa.
O processo seqüencial de geração de eletricidade e consumo de energia térmica útil
admite duas possibilidades de acordo com a ordem de produção das formas de energia. O
ciclo topping é o mais freqüentemente encontrado na prática, especialmente no setor
sucroalcooleiro. Neste ciclo, o vapor é utilizado para produzir primeiramente potência
elétrica, sendo que a energia térmica resultante é recuperada e depois utilizada no processo
produtivo. Nos chamados ciclos bottoming, a energia térmica residual associada aos processos

24
industriais que precisam de alta temperatura é empregada para a produção de energia elétrica,
situação esta mais comum em indústrias químicas (Sánchez Prieto, 2003). A Fig. 1.9 ilustra os
ciclos topping e bottoming.
Figura 1.9 – Ciclos topping (a) e bottoming (b).
Além da boa adequação da cogeração no setor sucroalcooleiro, existem outras
vantagens, segundo Coelho et al. (2002), a saber:
• Vantagens estratégicas: gerações descentralizadas, próximas aos pontos de
consumo. No caso particular da região Sudeste e Centro Oeste a geração ocorre no
período seco, podendo complementar a geração hidrelétrica;
• Vantagens econômicas: uso de combustível e equipamentos nacionais;
• Vantagens sociais: utilização de mão de obra na zona rural;
• Vantagens ambientais: combustível limpo e renovável, apresentado captura de
carbono ( 2CO ) no seu balanço, um dos gases responsáveis pelo efeito estufa.
No caso das usinas sucroalcooleiras, o combustível disponível para ser queimado nas
caldeiras é o bagaço de cana. A quantidade produzida de bagaço depende da quantidade de
cana moída e da relação entre o teor de fibra da cana e do bagaço. A produção de bagaço varia
diretamente com a fibra da cana e inversamente com a fibra do bagaço. Considerando
números médios para a fibra da cana e do bagaço, pode-se considerar que uma tonelada de
cana produz 285 kg de bagaço. O bagaço tem Poder Calorífico Inferior (PCI) igual a
7.736 kgkJ e pode ter até 86 % de aproveitamento energético, pois hoje existem caldeiras

25
com esses níveis de rendimento.
Com relação aos produtos da cogeração, já foi citado que a potência é usada nos
acionamentos ou pode ser exportada, no caso da energia elétrica. No entanto, o principal
produto sob o ponto de vista de processo, é o vapor que sai das turbinas, chamado de vapor de
escape. Este é usado nas operações mostradas acima que não requerem altas temperaturas, por
isso o ciclo topping é o utilizado em plantas sucroalcooleiras. Na realidade, a necessidade
desses processos é que o vapor seja saturado ou o mais próximo disso, uma vez que nas trocas
indiretas ocorridas o vapor se condensa liberando a maior parte de sua energia, a de
transformação.
Normalmente, para sistemas convencionais que trabalham com turbinas de
contrapressão de simples estágio, a demanda de vapor no processo é cerca de 500 kg por
tonelada de cana. No entanto, com o advento da cogeração e a venda de energia, tem-se
buscado minimizar esse consumo no processo para que mais vapor possa ser condensado em
turbinas de extração-condensação, que são extremamente eficientes, produzindo, assim, mais
energia para ser exportada.
1.2.4. Potencial de Cogeração do Setor Sucroalcooleiro
A situação atual da maioria das usinas de açúcar e álcool do Brasil, especialmente no
Estado de São Paulo, é de auto-suficiência no emprego de bagaço para produção de energia
dentro da indústria e de equilíbrio no consumo de vapor de processo. Ou seja, todos os
acionamentos mecânicos dos equipamentos, iluminação e bombeamentos nos processos de
produção são supridos pelas turbinas da própria usina e toda a demanda do processo no
aquecimento do caldo, evaporação, cozimento e destilação, são supridos pelo vapor de escape
das turbinas. A Tab. 1.1 mostra a situação em 2003 da geração de energia à base de biomassa
de cana no Brasil (Kitayama, 2003).
Tabela 1.1 – Situação de geração de energia elétrica a base de bagaço de cana.
Situação Quantidade (MW)
Auto produção 1.485
Produção excedente 619
Processo de construção 75
Processo de outorga 390

26
Vale ressaltar que o autoprodutor do setor sucroalcooleiro tem como característica,
apresentar uma curva de carga com perfil sazonal, ou seja, com geração de energia elétrica
durante o período da safra, buscando, dessa forma, uma auto-suficiência, sendo que isso não
acontece durante a entre safra, quando o mesmo se torna dependente da concessionária.
No entanto, existe a possibilidade de geração durante a entre safra, porém, para haver a
garantia dessa geração, o autoprodutor pode utilizar certos artifícios como estocar o bagaço
excedente produzido durante a safra, comprar bagaço excedente de terceiros ou aproveitar as
palhas e pontas da cana como combustível, no caso dos canaviais onde a colheita é feita
mecanicamente ou que não sofrem queimadas. O potencial de resíduos da cana em matéria
seca representa em média 14 % da massa de cana (Pellegrini, 2002). Dessa forma, para cada
tonelada de cana (colmos) produzida, 140 kg de resíduo seco são gerados. Considerando
umidade de 50 % da palha, tem-se um total de 280 kg de resíduos gerado por tonelada de
cana.
Os inconvenientes da geração de energia no período de entre safra também devem ser
considerados. O principal deles é a realização da manutenção nos equipamentos, muitos deles
utilizados na geração de energia, como caldeira, esteiras de bagaço, turbinas e geradores.
Sendo assim, tais equipamentos têm sua manutenção prejudicada; porém, isso pode ser
resolvido caso se tenha equipamentos em stand by que possam funcionar para o outro sofrer
manutenção. Além disso, deve-se considerar a qualidade do bagaço estocado que, dependendo
das condições de armazenagem, pode ter sua umidade aumentada, diminuindo seu poder
calorífico inferior, além de prejudicar sua queima.
Embora o setor sucroalcooleiro demonstre um grande potencial de cogeração de
energia, apresentando atrativos econômicos e ambientais, devido à utilização do bagaço de
cana como combustível, a produção de energia elétrica para a venda às concessionárias ainda
é incipiente, devendo ter uma expansão importante num futuro próximo devido aos incentivos
governamentais para a geração independente e descentralizada, que estão surgindo em
decorrência da crise energética ocorrida recentemente.
Levando em conta que a cana de açúcar é uma fonte de energia primária pode-se
considerar que em uma tonelada tem-se um poder calorífico de 3
10x193.7 kJ, que são
contribuições de açúcar contido na cana, da palha e do bagaço, que energeticamente estão
divididos igualmente (Kitayama, 2003). Dado que um barril de petróleo tem um poder
energético de 3
10x803.5 kJ, sob o ponto de vista energético, uma tonelada de cana é
equivalente a 1,24 barris de petróleo. Na safra 2002/2003, a produção de cana foi de 320

27
milhões de toneladas, segundo dados da UNICA, o que equivale a 397 milhões de barris de
petróleo, sendo que, nesse mesmo período, a produção de petróleo foi de 550 milhões de
barris (Kitayama, 2003).
Considerando-se apenas a energia gerada pela queima de bagaço de cana, o Estado de
São Paulo tem potencial para produzir cerca de 20,0 anohTW ⋅ , ou seja, 6 % da energia
elétrica produzida no País. Em todo o Brasil seria possível produzir 31,5 anohTW ⋅ , ou
cerca de 9 % da produção nacional (Brito, 2004).
Essa energia, mesmo não sendo gerada ao longo de todo o ano, não pode ser tratada
como secundária ou interruptível, pois está disponível durante todo o período de safra do
setor, que dura cerca de seis meses, sujeitando-se apenas aos índices de interrupção
programada e forçada, aplicável a qualquer outro tipo de instalação de geração. Assim, a
energia elétrica gerada pelas usinas de açúcar e álcool pode ser considerada como uma
energia sazonal assegurada.
Apenas para efeito comparativo, vale ressaltar que a Usina Hidrelétrica Ilha Solteira
localizada no Rio Paraná, que é a maior usina da Companhia Energética de São Paulo
(CESP), a terceira maior usina hidrelétrica do Brasil e a sexta maior do mundo, tem uma
potência instalada de 3.444 MW e, se tivesse todas suas 20 unidades geradoras funcionando
24 horas por dia, teria uma geração de energia de cerca de 30,2 anohTW ⋅ .

28
1.3. Regulamentação e Incentivos para Cogeração no Setor Sucroalcooleiro
1.3.1. Crise Energética e Programa de Racionamento de Energia
A matriz energética brasileira é fortemente dependente dos recursos hídricos, com
mais de 90 % da energia proveniente das hidrelétricas, e tem se tornado cada vez mais
escassa, em função do aumento da demanda e, por vezes, da escassez de chuvas.
No ano de 2000, houve um aumento de demanda de eletricidade de 5,2 % (EFEI
Energy News, 2000) advinda de um consumo total de 176,8 hGW ⋅ no final de 2000 contra
168,0 hGW ⋅ no início deste mesmo ano. A construção de novas hidrelétricas é inviável em
função do esgotamento dos recursos hídricos e das conseqüências ambientais, econômicas e
sociais negativas, acarretadas pelo alagamento provocado pelos reservatórios.
Em 2001, o índice pluviométrico foi abaixo da média anual e, como os sistemas
hidrelétricos vinham operando com as chuvas de cada ano, houve uma redução considerável
dos reservatórios das usinas hidrelétricas, de modo que o governo teve que fazer campanhas
de economia de energia. Tais campanhas obtiveram bons resultados, porém não evitaram que
naquele ano ocorresse racionamento de energia e que o mesmo ficasse conhecido com o ano
do “apagão”. Com todas essas providências, e, sobretudo, com o apoio de toda a população,
alcançou-se uma economia de 18,3 % na região norte, 19,5 % na região nordeste e 19,8 % na
região sudeste e centroeste, segundo dados da Agência Nacional de Águas (ANA, 2002).
Assim, o programa de racionamento pôde ser finalizado em fevereiro de 2002, quando
os dados fornecidos pelo Operador Nacional do Sistema mostravam níveis satisfatórios nos
reservatórios.
Mesmo um pouco antes dessa crise, o governo já mostrava uma certa preocupação
com o setor energético de forma que, através do Decreto nº de 24 de Fevereiro de 2000, no
uso da atribuição que lhe confere o Artigo 84º, inciso IV da Constituição Federal, ele institui,
no âmbito do Ministério de Minas e Energia (MME), o Programa Prioritário de
Termoeletricidade (PPT), visando a implantação de usinas termelétricas a gás natural para
assegurar o suprimento de energia nos próximos anos.
Embora esse programa não esteja diretamente envolvido com a biomassa e,
conseqüentemente, ao tema deste trabalho, merece referência devido à possibilidade do
aproveitamento do gás natural como combustível complementar em usinas sucroalcooleiras,
através da queima direta nas caldeiras e/ou em ciclos combinados.

29
1.3.2. Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Geração de Energia
Mais recentemente o governo criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de
Geração de Energia Elétrica (PROINFA), através do artigo 3º da Lei nº 10.438, de 26 de abril
de 2002, visando aumentar também a participação da energia elétrica gerada a partir de
unidades de produção baseadas em biomassa e eólica, além das Pequenas Centrais
Hidrelétricas (PCH’s), no Sistema Interligado Nacional (SIN) (MME, 2004).
Apesar de seus objetivos relevantes, o PROINFA não poderia ter sido implementado
sem os ajustes nos mecanismos da lei às diretrizes e às orientações decorrentes da nova
Política Energética Nacional. Dessa forma, fez-se necessária uma revisão no programa, por
meio da Lei nº 10.762, de 11 de novembro de 2003, quando foram obtidos avanços e
aperfeiçoamentos significativos para a sociedade.
O PROINFA foi planejado para ser implementado em duas etapas de procedimentos
distintos. A primeira etapa previa a contratação de 3.300 MW de potência instalada (divididas
igualmente entre fontes hídricas, eólicas e a base de biomassa), mediante duas Chamadas
Públicas. Uma delas foi aberta no dia 6 de abril, com o prazo de entrega dos projetos dos
empreendedores interessados para a ELETROBRÁS até o dia 10 de maio de 2004 e a outra
foi aberta dia 04 de outubro e encerrada dia 19 de novembro (ELETROBRÁS, 2004).
Segundo o Artigo 1º da Portaria do MME nº 45, de 30 de março de 2004, o prazo para
entrada em operação comercial dos empreendimentos contratados deve estar entre o período
de 1º de janeiro e 30 de dezembro de 2006. Desta forma, as empresas selecionadas pelo
PROINFA só poderão entrar em operação exportando energia nesse período (ELETROBRÁS,
2004).
Após a primeira etapa do PROINFA, o MME definirá o montante de energia
renovável a ser contratado, considerando que o impacto de contratação de fontes alternativas
na formação da tarifa média de suprimento não poderá exceder a um limite pré-definido, em
qualquer ano, quando comparado com o crescimento baseado exclusivamente em fontes
convencionais. Além disso, os empreendimentos deverão comprovar um grau de
nacionalização de equipamentos e serviços, em valor, não inferior a 90 %.
O valor econômico correspondente a cada fonte, a ser definido pelo MME, e válido
para a primeira etapa do programa, será o de venda da energia elétrica para a ELETROBRÁS
e terá como piso, no caso de centrais termelétricas a biomassa, o equivalente a 50 % da Tarifa
Média Nacional de Fornecimento ao consumidor final.

30
A ELETROBRÁS celebrará Contratos de Compra e Venda de Energia (CCVE),
assegurando a compra dessa energia (3.300 MW) pelo período de 20 anos, com os
empreendedores que preencherem todos os requisitos de habilitação descritos no Guia de
Habilitação e tiverem seus projetos selecionados de acordo com os procedimentos da Lei
10.438 e de sua regulamentação.
Ainda nos termos dessa Lei, o MME é responsável pela edição e publicação deste
Guia de Habilitação e dos valores econômicos correspondentes a cada fonte, por meio da
Portaria MME nº 45, de 30 de março de 2004. Este Guia de Habilitação visa orientar os
interessados em participar do PROINFA, informando e listando os documentos necessários à
habilitação dos projetos, os quais deverão ser apresentados à ELETROBRÁS, que é a
responsável pela realização da Chamada Pública (ELETROBRÁS, 2004).
No caso específico da biomassa da cana, a regulamentação do PROINFA deixou
muito a desejar. Embora esta fosse seguramente o maior potencial gerador dentro do
PROINFA, ela acabou ficando em segundo plano, uma vez que ficou com a menor
remuneração entre as fontes, apenas R$ 93,77 por hMW ⋅ , sendo que as Pequenas Centrais
Elétricas receberão R$ 117,02 por hMW ⋅ ; a energia eólica, entre R$ 180,18 a R$ 204,35 por
hMW ⋅ ; a biomassa do biogás de aterro sanitário, R$ 169,08 por hMW ⋅ ; e a biomassa da
madeira, R$ 101,35 por hMW ⋅ (Jardim, 2004).
Todos esses valores são válidos durante os 20 anos de contrato com a ELETROBRÁS
e serão corrigidos anualmente a partir da data base do contrato pelo Índice Geral de Preços de
Mercado (IGPM) estabelecido pela Fundação Getúlio Vargas (FGV), de acordo com o
Parágrafo Único, Artigo 2º da Portaria MME nº 45. No caso de extinção do IGPM, o
Ministério de Minas e Energia indicará um novo índice para correção dos valores econômicos
correspondentes às tecnologias específicas da fonte, conforme rege o Parágrafo Único, Artigo
3º da Portaria MME nº 45.
Diante das dificuldades para conseguir financiamento por parte dos órgãos
governamentais, como o Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES),
por exemplo, muitos empresários do setor sucroalcooleiro decidiram investir por conta
própria na ampliação de excedente de energia para vender para rede pública, mas a
remuneração oferecida pelo PROINFA serviu como um dos fatores para o desestímulo ao
empreendedorismo.
Essa realidade foi vivida pela Destilaria Pioneiros que, a partir de 2002, passou a
investir na expansão de seu sistema de cogeração visando a comercialização de excedentes de
energia elétrica com as concessionárias. O projeto foi iniciado com recursos próprios, mas não

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